智能變電站一體化信息平臺源端維護模型轉化技術

王化鵬，楊威，許智，劉筱萍，劉洋，李勁松

(中國電力科學研究院，北京市，100192)

0 引言

電力系統中各級調度中心的主站能量管理系統(energy management system，EMS)遵循 IEC 61970標準，利用公共信息模型(common information model，CIM)來描述電網模型，變電站側的自動化系統遵循IEC 61850標準［1］，利用變電站配置描述語言(substation configuration language，SCL)模型來描述變電站中的數據模型。2個標準體系的差異導致調度中心的主站和變電站之間很難做到信息共享。

智能變電站一體化信息平臺源端維護應用功能的提出為調度中心主站與變電站間的信息模型共享提供了必要條件。通過源端維護功能可實現遵循IEC 61850 SCL的變電站二次設備模型與遵循IEC 61970的主站CIM模型的轉換映射。為主站和子站端模型共享提供基礎。

目前IEC 61850 Ed.2標準已經升級為電力企業自動化系統通訊體系結構的標準［2-3］，支持與控制中心的IEC 61970 CIM協調，實現主站調度端無縫訪問現場設備信息的功能。同時標準中規定的變電站規范模型文件(system specification description，SSD)其內部節點的組成結構以及命名規則已與IEC 61970標準中的CIM文件模型中部分內部節點構成交集，這就為實現源端維護中模型轉化技術提供了實現依據。

目前國內外對于源端維護功能的實現尚處于研究和探索階段。本文通過對IEC 61850 Ed.2中的SSD和IEC 61970的CIM模型文件的共性和映射關系展開研究，實現了變電站SSD模型至主站CIM模型的模型轉換，可為源端維護信息模型共享功能提供一定參考。

1 基于IEC 61850-6 Ed.2的SSD模型

IEC 61850 Ed.2中的SSD變電站規范模型文件是變電站配置文件(substation configure description，SCD)的變電站功能和拓撲描述部分。它基于點線圖的連接(拓撲)和設備功能的分配，目的是從變電站結構角度派生出邏輯節點功能說明，使變電站中電氣設備功能和其包含的邏輯功能節點建立關聯。

SSD模型文件包含了變電站主接線圖中相關電氣設備的名稱、類型、位置、陳列方向等詳細信息，描述了主接線圖的拓撲結構以及主接線圖中各電氣設備的連接關系。

SSD模型文件依據面向對象技術建模。其模型的建立須遵循以下原則:變壓器分接頭、繞組以及節點本身存放到變壓器類當中，各變壓器繞組所屬電壓等級安排在電壓等級類中單獨列出。主接線圖中的間隔單元和母線間隔存放在間隔類中。變電站中的刀閘、斷路器、電容器、電抗器等電氣設備作為傳導設備，被歸類到傳導設備類當中，IEC 61850 Ed.2同時也為這些傳導設備規定了設備類型。

2 基于IEC 61970的CIM模型

IEC 61970采用基于CIM的面向對象技術進行建模，表示了建立模型通常所需要的所有對象。通過提供一種標準的方法，即用對象類、屬性以及它們之間的關系來表示電力系統資源。這些對象類、屬性以及他們之間的關系主要通過定義CIM/資源描述框架(resource description framework，RDF)規范來實現的，使得各個應用系統能夠不依賴于信息內部如何表示就可以訪問公共數據和交換信息［1］，RDF作為元數據描述工具與IEC 61850標準所采用的元數據描述工具文檔類型定義相比功能更加強大。

CIM被劃分為13個類包，290多個類，其中包括:域包、核心包、電線包、測量包、拓撲包、負荷包、保護包、預測包等［4］。涵蓋了量測模型和變電站的層次模型。模型包含了這些對象的功能類和屬性，同時也表示了他們之間的關系。統一規定了模型語義，并采用RDF和可擴展標記語言(extensible markup language，XML)來實現信息模型的形式化表達。符合XML在異構應用集成方面的發展趨勢，但RDF和XML主要還是在語法和結構方面起到一定的規范作用［1］。

3 SSD模型與CIM模型的比較

IEC 61850是圍繞新一代變電站自動化系統設計的標準，所以針對于SSD模型和CIM模型的比較范圍應限定在變電站及其包含的各類對象當中。CIM模型的描述涵蓋了電力系統管理及信息交換的所有方面。

3.1 建模技術比較

SSD模型和CIM模型均采用面向對象技術建立數據模型，采用XML語言作為各自的模型描述語言。仔細分析模型的內容，可以發現以下情況，二者對變電站建模的整體層次結構是相同的。

二者對變電站建模的層次結構雖然相同，但針對于模型內部類之間的關聯關系不盡相同。CIM模型中類之間的關聯關系都是雙向的。SSD模型從屬于SCL模型，其類之間的關系是單向的、層次化的、樹形的［5-6］。

這同時也導致了二者對模型元數據的描述方式和描述的內容有所不同。SSD模型與CIM模型的區別主要表現在文檔類型定義、模型聚合方式、對象屬性描述方式、量測和設備關聯方式以及模型命名方式和引用方式這幾個方面。

3.2 模型相似性比較

雖然SSD模型和CIM模型有很多不同之處，但IEC 61850 Ed.2的推出，已經使得SSD模型與CIM模型有很多相似性，為SSD模型與CIM模型的轉換和信息共享提供了基礎［7］。但由于SSD模型和CIM模型具有完全不同的語義，因此不能實現變電站內IED數據與調度端系統數據的直接交互，這就需要在2種模型間建立映射關系，從而實現SSD模型至CIM模型的轉換。

通過對SSD模型與CIM模型進行比較分析，可以看出:

(1)SSD模型中Substation可以與CIM模型中的SubControlArea建立映射關系。

(2)SSD模型中VoltageLevel可以與CIM模型中的BaseVoltage建立映射關系。

(3)SSD模型中Bay可以根據節點屬性描述分別和 CIM 模型中的 ACLineSegment、EnergyConsumer、BusbarSection建立映射關系。

(4)SSD模型中的PowerTransformer及其內部子節點可以與CIM模型中的Power-Transformer建立映射關系。

(5)SSD模型中的傳導設備可以根據其屬性類型與CIM模型中的各種導電設備建立直接映射關系。

(6)SSD模型中傳導設備可包含的具有量測功能的邏輯節點，可與CIM模型中的量測包建立部分映射關系。

4 SSD模型與CIM模型轉換技術實現

4.1 轉換技術原理

SSD模型文件具有良好的擴展性，可根據實際需要對其進行擴展，包括對IEC 61850-7數據模型的擴展、數據類型的約束、XML命名空間及其私有元素的定義、已有語法元素上附加新語義等方面的擴展。以下為SSD模型文件經過擴充后的部分實例片段:

通過以上實例片段可以看出，SSD模型文件與IEC 61970 CIM模型中的元素節點名稱具有一定的重疊性。通過SSD模型文件的層次化結構可以推斷出SSD模型文件父元素與子元素的所屬關系。SSD模型文件擴充了元素節點描述屬性元素desc，這為變電站側子站信息模型與調度中心側的主站端信息模型的信息共享提供了保障。

相對于IEC 61850中的SSD模型而言，CIM模型采用的RDF模型格式的XML模型，CIM中類之間的關系都是雙向的。以下部分為CIM模型的部分模型片段:

通過以上模型片段可以看出雖然CIM模型采用XML語言來建模，但采用RDF格式來對模型進行約束，該模型具備層次性的同時，具有雙向索引的特點。CIM建模一般重點考慮設備間的外圍邏輯關聯，對于設備內部的原理的描述很少涉及。

雖然使用的元數據描述工具不同［SSD模型利用文檔類定義(document type definition，DTD)，CIM利用RDF］，但利用XML解析器對2種模型進行操作時沒有太多差異［8］。以SSD模型與CIM模型的映射關系為橋梁，利用XML解析器對SSD模型進行樹形結構解析，通過XML解析器對SSD模型在內存中形成的樹形結構進行逐層讀取，將讀取到的SSD模型信息的有用信息，利用2種模型的映射關系，建立對應的CIM模型［9］。由于SSD模型與CIM模型的映射關系有不一致性，可以通過外部配置文件對模型的不一致性進行模型映射的額外補充，外部配置文件也可以采用XML文件作為描述載體，實現原理圖如圖1所示。

圖1 SSD和CIM轉換技術實現原理Fig.1 Schematic diagram for mapping relation between SSD and CIM

4.2 轉換技術的實現

由于SSD模型至CIM模型的轉換過程中頻繁涉及到XML解析器對模型文件的操作，所以需要采用比較健壯的XML解析器［10］。本文在轉換技術的實現中采用了封裝在QT軟件開發工具中的Xerces DOM作為模型轉換的XML解析器，同時采用QT作為模型轉換的軟件開發工具。

轉換技術的實現需要以下幾個步驟:

(1)在CIM模型轉換之前，建立3個DOM對象。分別用來操作SSD模型信息、讀取配置文件信息和建立CIM模型。

(2)將SSD模型文件導入到DOM解析器中，將SSD模型信息以樹形結構的形式存儲在內存當中。通過DOM解析器操作SSD模型結構樹，逐層讀取SSD模型結構樹中的有用信息，同時將讀取過來的有用信息存儲在公共變量當中。

(3)利用命名規則轉換模塊將從SSD模型讀取過來的有關節點名稱轉換為符合CIM模型命名規則的與其相對應CIM模型中的相關節點。然后通過公共變量將這些信息傳遞給用來建立CIM模型的DOM解析器。

(4)在建立CIM模型的DOM解析器中通過公共變量傳遞過來的有用信息，以RDF的形式建立CIM模型結構樹。

通過SSD模型對象的讀取操作與CIM模型對象的寫入操作的交互響應，實現SSD模型和CIM模型映射關系的模型轉換［11］，轉換示意圖如圖2所示。

圖2 轉換示意圖Fig.2 Schematic diagram for model transformation

另外對于CIM模型中存在的，SSD模型中并不存在的模型信息，比如CIM模型中的量測包。利用DOM對象讀取配置文件中的信息，通過公共變量傳遞給用來建立CIM模型的DOM解析器，來完善CIM模型的建立。由于篇幅有限，在這里不做過多介紹。

5 結語

源端維護實現的基礎是IEC 61850標準。通過模型轉換機制，加強變電站與主站間的聯系，進而做到全網模型站站統一。本文研究的SSD模型至CIM模型的轉換的實現方法，對智能變電站一體化信息平臺源端維護的實現將具有積極的推動作用，同時也為實現調度自動化系統縱向信息一體化維護以及滿足跨區域互聯大電網的安全穩定運行提供一定的借鑒意義。

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